FPGA 设计技巧与案例开发详解

内容简介

本书由浅入深，由表及里，从FPGA技术的探索，到资源的发现与利用，从硬件版图规划与设计，到逻辑电路验证与实现；从模块化功能的研究与积累，到系统集成的综合与完善，系统、全面地介绍了Altera FPGA的开发流程。本书的所有例程均经过千锤百炼，相关FPGA设计的资源均为笔者多年整理归纳，均可在本书配套资料包（下载地址详见前言）中找到，希望读者能够妥善利用及更、直观地学习。

目录

目 录
第1章 浅谈FPGA技术、优势、学习途径 （1）
1.1　FPGA的诞生、发展 （1）
1.1.1　FPGA的诞生 （1）
1.1.2　FPGA的发展与未来 （4）
1.1.3　博弈，在入门之前 （7）
1.2　Altera FPGA介绍及发展、应用 （8）
1.2.1　Altera公司介绍 （8）
1.2.2　Altera产品介绍 （9）
1.2.3　Altera FPGA的开发平台 （15）
1.2.4　Altera FPGA的动态与应用 （17）
1.2.5　Altera FPGA的应用 （20）
1.2.6　对比ARM与DSP，认清FPGA （23）
1.3　善用网络资源，不断总结自我 （26）
第2章 Quartus II 13.0套件的下载及安装 （29）
2.1　写在前面的话 （29）
2.2　Quartus II 13.0软件下载 （30）
2.3　Quartus II 13.0组件安装 （32）
2.4　Quartus II 13.0 Device安装 （36）
2.5　USB Blaster下载器驱动程序的安装 （39）
第3章 Verilog HDL设计与Testbench文件架构 （43）
3.1　Verilog HDL设计 （43）
3.1.1　Verilog HDL与VHDL的对比 （43）
3.1.2　Verilog HDL的发展 （44）
3.1.3　Verilog HDL代码设计风格 （45）
3.2　Testbench文件架构 （50）
3.2.1　Testbench的介绍 （50）
3.2.2　Testbench代码设计风格 （51）
3.3　Quartus II工程目录文件夹的定制 （54）
第4章 MAX II CPLD/Cyclone II/IV FPGA PCB Layout设计 （56）
4.1　浅谈PCB Layout （56）
4.2　MAX II CPLD核心电路设计 （57）
4.2.1　MAX II CPLD背景及简介 （57）
4.2.2　EPM240T100C5N设计需求研究及分析 （59）
4.2.3　EPM240T100C5N核心板原理图设计 （63）
4.2.4　EPM240T100C5N核心板布局布线 （67）
4.3　Cyclone II FPGA核心电路设计 （68）
4.3.1　Cyclone II FPGA背景及简介 （68）
4.3.2　Cyclone II数据手册解读与EP2C8Q208C8N的设计研究 （69）
4.3.3　EP2C8Q208C8N核心板原理图设计 （81）
4.3.4　FPGA核心板Layout注意事项 （90）
4.4　Cyclone IV FPGA核心电路设计 （93）
4.4.1　Cyclone IV FPGA简介 （93）
4.4.2　Cyclone IV FPGA数据手册分析与EP4CE6E22C8N的设计研究 （95）
4.4.3　Cyclone IV FPGA核心电路设计 （101）
4.5　FPGA/CPLD电路焊接、调试经验总结 （105）
4.6　本书配套FPGA开发平台硬件介绍 （108）
4.6.1　VIP_Board 3.0硬件资源介绍 （109）
4.6.2　VIP_Board 3.0相关外设实物介绍 （110）
第5章 4位计数器的设计与仿真验证 （115）
5.1　写在前面的话 （115）
5.2　FPGA/CPLD开发流程 （115）
5.3　基于Quartus II 13.0的4位计数器设计流程 （117）
5.3.1　Quartus II 工程的创建 （117）
5.3.2　4位计数器的逻辑电路设计 （120）
5.3.3　Quartus II编译流程与工程设置分析 （123）
5.4　基于Modelsim-Altera 10.1d的4位计数器仿真验证流程 （134）
5.4.1　关于FPGA设计的各种仿真概念分析 （135）
5.4.2　Modelsim版本的简要介绍 （136）
5.4.3　Modelsim工程的创建 （136）
5.4.4　Testbench激励文件的编写 （139）
5.4.5　Modelsim波形的仿真与分析 （142）
5.5　设计思路的验证与总结 （149）
第6章 LED驱动电路设计 （151）
6.1　LED驱动电路设计方案1——入门 （151）
6.1.1　LED驱动电路设计方案 （151）
6.1.2　8位LED的自加显示实验 （153）
6.2　LED驱动电路设计方案2——升级 （164）
6.2.1　LED电路设计方案 （164）
6.2.2　74HC595驱动分析与实现 （166）
6.3　8位LED跑马灯显示实验 （176）
6.4　LED呼吸灯的设

摘要与插图

名字可以一笔一划一蹴而就，但是FPGA的PCB电路设计也许不行。笔者虽说也算是拥有多年FPGA设计经验，但很少有一下子成功的设计，多多少少都需要适当的调试。铁杵磨成针，是因为功夫深；而FPGA/CPLD电路设计的调试能力，也是经验总结。没有谁生来就是天才，天才是因为比常人花费了更多的血汗，天才之路充斥了狂风暴雨。只有经历过地狱般的洗礼，才能达到天堂的力量。
前些日子一个由软件开发，走向销售，继而开始创业做产品的前辈告诉我，“创业、奋斗，就是读博，一旦进入，只有黑暗没有光明，很多人知难而返。你不知道何时会遇到光明，也许就在那一瞬间，抑或也许遥不可及；但重点是，如果你坚持走下去，总共遇到光明的转角，但如果你不敢走下去，那你就注定是输。”敢打敢拼不服输，才能成功。即便是“赌博式”奋斗，要的也是方向。即便在FPGA/CPLD电路设计中，路途坎坷四处碰壁，但是没有不能调试成功的电路，就看你愿不愿意花费功夫。也许Bug就在那一瞬间，抑或也许你直接放弃，永远找不到迷失的方向。
对于FPGA/CPLD驱动电路设计，先我们得设计原理图与PCB，接着投产打样，拿到板子后进行焊接调试以及相关的测试，如果电路基本功能验证OK，就可以进行项目工程设计，反之，如果出现了这个那个的问题，继而发现原理图设计的问题，只能重新设计电路图。硬件开发流程如下图所示。
笔者有时候这个流程要循环好几遍，刚开始由于设计上的问题导致了得重新设计电路，抑或是后来发现可升级的部分，在基本功能完成后在此进行修改。不就得将来发现有更好的方案，为了性能不惜以再次设计、调试电路的代码重新进行优化。笔者有一个基于EP2C8Q208C8N的VIP_Board视频开发平台，不停地优化升级，少说也进行过4个版本的升级。总是，是没有极限的，电路设计也一样，不断地升级、优化，才能做出苹果这样的产品。
笔者在这里想重点总结一下关于FPGA/CPLD电路焊接、调试经验。也许会有遗漏或者，不符合常规的部分，但至少这些是笔者认为相对于DIY或者手工焊接调试电路，进行开发的比较有效的流程。为此笔者专门设计了一整套的PCB焊接、调试、排错、到硬件定型的流程（当然这不仅仅只适用于FPGA/CPLD，而是一个基本的思维），如下图所示（CPLD根据需要可以相应的精简）：
1) PCB的检查
在拿到厂家打样好的PCB后，一定不要急着进行焊接。虽说现在的制版工艺，以及飞针测试技术，一般电路不会有问题，但也不排除以外。笔者当年一个沉浸的板子倍某厂家做短路了；笔者当年还有2个FPGA板子也被做短路过。当然现在的技术，这个是小概率事件。不过宁可信其有，不可信其无，先大致的检查一下PCB是否有问题（主要是短路）。如果小概率事件发生，板子被做短路了，立即与厂家联系。笔者的经验，一般厂家都会通过免费加急重做一次的途径，来给客户做出补偿。
2) 电源与主芯片的焊接主次
原本焊接电路应该有主到次，从主芯片到外围电路。但是如果电源方案是尝试的，同时恰好出现了设计问题。而这个我们已经将FPGA/CPLD焊接在上面了，徒劳而又费钱伤神的事情，笔者当年也层冒昧过。
因此，如果方案是成熟的，并且经过了多次验证，这都无所谓。反之如果方案（尤其是电源方案）如果是的，一般先焊接电源进行测试，在保证板载电压（5V、3.3V、1.2V、2.5V等）都正常的情况下，继而进行FPGA/CPLD的焊接，以保证风险的化。如果焊接后发现电源有问题，只能通过割线、跳线等方法来临时解决，在下一版本中进行优化。同时，焊接完FPGA/CPLD之后，也必须进行短路、虚焊等的测试（可以用放大镜辅助观察，也可以用玩表